RU201800U1 - DEVICE FOR REGISTRATION OF GAMMA RADIATION - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам, регистрирующим и определяющим энергию гамма-излучения, и может использоваться в прикладных и фундаментальных исследованиях, ядерной физике, для радиационного экологического контроля территорий, космофизике и ядерной медицине.Устройство содержит импульсную цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный усилитель. Ионизационная камера наполнена сжатым ксеноном с добавкой водорода. Для устранения микрофонного эффекта в устройстве на выходе зарядочувствительного усилителя установлен модуль цифровой электроники на основе программируемой логической интегральной схемы для анализа амплитуды и длительности фронта электрических импульсов, режекции наложений, вычисления и вычитания базовой линии.Технический результат: улучшение энергетического разрешения в 1,5 раза для энергии гамма-квантов 662 кэВ, устранение влияния микрофонного эффекта и сохранение спектрометрических характеристик устройства при виброакустических воздействиях до 90 дБ.The utility model relates to the field of measuring technology, namely to devices that register and determine the energy of gamma radiation, and can be used in applied and fundamental research, nuclear physics, for radiation ecological monitoring of territories, cosmophysics and nuclear medicine. The device contains a pulsed cylindrical ionization chamber with shielding grid, high-voltage power supply, charge-sensitive amplifier. The ionization chamber is filled with compressed xenon with added hydrogen. To eliminate the microphone effect, a digital electronics module based on a programmable logic integrated circuit is installed in the device at the output of the charge-sensitive amplifier for analyzing the amplitude and duration of the leading edge of electrical pulses, rejecting overlaps, calculating and subtracting the baseline. Technical result: improving the energy resolution by 1.5 times for energy of gamma quanta 662 keV, elimination of the influence of the microphone effect and preservation of the spectrometric characteristics of the device under vibroacoustic influences up to 90 dB.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельThe technical field to which the utility model belongs

Полезная модель относиться к области измерительной техники, а именно к устройствам, регистрирующим и определяющим энергию гамма-излучения, и может быть использована в прикладных и фундаментальных ядерно-физических исследованиях, ядерной физике, для радиационного экологического контроля территорий, космофизике и ядерной медицине.The utility model relates to the field of measuring technology, namely to devices that register and determine the energy of gamma radiation, and can be used in applied and fundamental nuclear physics research, nuclear physics, for radiation environmental monitoring of territories, cosmophysics and nuclear medicine.

Уровень техникиState of the art

Известно цифровое устройство DSPEC для обработки электрических сигналов германиевого гамма-спектрометра (статья D.T. Vo, Р.А. Russo, and Т.Е. Sampson «Comparisons Between Digital Gamma-Ray Spectrometer (DSPec) and Standard Nuclear Instrumentation Methods (NIM) Systems» Los Alamos National Lab., NM (United States) 1998). В статье проведено сравнение устройства DSPec со стандартными средствами аналоговой обработки сигнала на основе модулей NIM. Цифровое устройство DSPec позволяет контролировать усиление сигнала, восстанавливать базовую линию, а также формировать из входного импульса необходимый по форме (прямоугольный, трапециевидный, треугольный) сигнал. В статье показано, что новое устройство позволяет достичь сопоставимого результата в сравнении с аналоговой обработкой. Недостатком данного устройства является отсутствие алгоритмов подавления микрофонного эффекта для детекторов с механическими системами охлаждения, которые создают виброакустическое воздействие, ухудшающее энергетическое разрешение.Known digital device DSPEC for processing electrical signals of a germanium gamma spectrometer (article DT Vo, P.A. Russo, and T.E. Sampson "Comparisons Between Digital Gamma-Ray Spectrometer (DSPec) and Standard Nuclear Instrumentation Methods (NIM) Systems" Los Alamos National Lab., NM (United States) 1998). The article compares the DSPec device with standard analog signal processing tools based on NIM modules. The DSPec digital device allows you to control the amplification of the signal, restore the baseline, and also form the required shape (rectangular, trapezoidal, triangular) signal from the input pulse. The article shows that the new device achieves comparable results compared to analog processing. The disadvantage of this device is the absence of algorithms for suppressing the microphone effect for detectors with mechanical cooling systems, which create vibroacoustic effects that impair the energy resolution.

Известно устройство, в котором используется адаптивная фильтрация для устранения микрофонного эффекта в детекторах для регистрации излучений. (Статья Sergio Zimmermann «Active microphonic noise cancellation in radiation detectors» Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol.729, 2013, 404-409 и статья Victoria Moeller-Chan, Thomas Hasenohr, Thorsten Stezelberger, Marcos Turqueti, Sergio Zimmermann «Microphonic Noise Cancellation in Radiation Detectors Using Real-Time Adaptive Modeling» Proceedings 14th IEEE-NPSS Real Time Conference, Nara, 2014, 1-4). Устройство использует сенсор для измерения механических воздействий и адаптивный алгоритм для оценки вклада в электрический сигнал детектора. Затем на основе этой оценки проводится вычитание микрофонного шума из основного сигнала для устранения негативного эффекта. Авторами разработана электроника на основе программируемой логической интегральной схемы для выполнения алгоритма в реальном времени. В результате работы устройства энергетическое разрешение германиевого полупроводникового детектора удалось улучшить с 2,45 кэВ до 2,12 кэВ на линии 1,33 МэВ гамма-источника ⁶⁰Со. Недостатком данного устройства является необходимость использования дополнительного сенсора для измерения вибраций и оценки вклада микрофонного эффекта.A device is known in which adaptive filtering is used to eliminate the microphone effect in detectors for recording radiation. (Article by Sergio Zimmermann "Active microphonic noise cancellation in radiation detectors" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 729, 2013, 404-409 and article by Victoria Moeller-Chan, Thomas Hasenohr, Thorsten Stezelberger, Marcos Turqueti, Sergio Zimmermann " Microphonic Noise Cancellation in Radiation Detectors Using Real-Time Adaptive Modeling "Proceedings 14th IEEE-NPSS Real Time Conference, Nara, 2014, 1-4). The device uses a sensor to measure mechanical stress and an adaptive algorithm to estimate the electrical contribution of the detector. Then, based on this estimate, the microphone noise is subtracted from the main signal to eliminate the negative effect. The authors have developed electronics based on a programmable logic integrated circuit to execute the algorithm in real time. As a result of the device operation, the energy resolution of the germanium semiconductor detector was improved from 2.45 keV to 2.12 keV on the 1.33 MeV line of the ⁶⁰ Co gamma source. The disadvantage of this device is the need to use an additional sensor to measure vibrations and assess the contribution of the microphone effect.

Известно устройство с активной демпфирующей системой для подавления микрофонного эффекта. (William Johnson, Rose Long, Mark Nelson, and David Mascarenas «Embedded Active Vibration Cancellation of a Piston-Driven Cryocooler for Nuclear Spectroscopy Applications)) Proceedings of the 30th IMAC, A Conference on Structural Dynamics, 2012, 377-384). Авторы разработали активную систему демпфирования с использованием поглотителя вибраций и противовеса, которая управляется микроконтроллером, получающим сигнал на основе анализа результатов измерений акселерометра, расположенного рядом с детектором. Недостатком устройства является наличие громоздкой конструкции для компенсации микрофонного эффекта и необходимость применять дополнительный сенсор-акселерометр для измерения вибраций.A device with an active damping system for suppressing the microphone effect is known. (William Johnson, Rose Long, Mark Nelson, and David Mascarenas “Embedded Active Vibration Cancellation of a Piston-Driven Cryocooler for Nuclear Spectroscopy Applications)) Proceedings of the 30th IMAC, A Conference on Structural Dynamics, 2012, 377-384). The authors have developed an active damping system using a vibration absorber and counterweight, which is controlled by a microcontroller, which receives a signal based on an analysis of the results of measurements of an accelerometer located next to the detector. The disadvantage of the device is the presence of a cumbersome structure to compensate for the microphone effect and the need to use an additional sensor-accelerometer to measure vibrations.

Наиболее близким к заявленной полезной модели устройством и принятым в качестве прототипа является устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения (патент РФ на изобретение RU 2264674 C2, опубликован 08.09.2003), представляющее собой импульсную цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, зарядочувствительным усилителем и блоком высоковольтного питания. Ионизационная камера наполнена сверхчистым ксеноном при давлении (40-50) атм., что соответствует плотности ксенона (0,3-0,6) г/см³, с добавлением водорода в количестве (0,2-0,3) % от общего содержания ксенона.The device closest to the claimed utility model and adopted as a prototype is a device for registering gamma-neutron radiation (RF patent for invention RU 2264674 C2, published on 09/08/2003), which is a pulsed cylindrical ionization chamber with a screening grid, a charge-sensitive amplifier and a high-voltage unit. nutrition. The ionization chamber is filled with ultrapure xenon at a pressure of (40-50) atm., Which corresponds to the density of xenon (0.3-0.6) g / cm ³ , with the addition of hydrogen in an amount of (0.2-0.3)% of the total xenon content.

Недостатком данного устройства является наличие микрофонного эффекта, который при больших виброакустических воздействиях приводит к ухудшению энергетического разрешения.The disadvantage of this device is the presence of a microphone effect, which, with large vibroacoustic influences, leads to a deterioration in the energy resolution.

Раскрытие сущности полезной моделиDisclosure of the essence of the utility model

Технический результат полезной модели заключается в улучшении энергетического разрешения устройства, устранении влияния микрофонного эффекта и сохранении спектрометрических характеристик при виброакустических воздействиях до 90 дБ.The technical result of the utility model consists in improving the energy resolution of the device, eliminating the influence of the microphone effect and maintaining the spectrometric characteristics at vibroacoustic influences up to 90 dB.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для регистрации гамма-излучения, содержащее импульсную цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, заполненную в качестве рабочего вещества сверхчистым ксеноном при давлении 40-50 атм. с добавлением водорода в количестве 0,2-0,3% от общего содержания ксенона, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный усилитель, включает в себя модуль цифровой электроники на основе программируемой логической интегральной схемы для анализа амплитуды и длительности фронта электрических импульсов, режекции наложений, вычисления и вычитания базовой линии.The specified technical result is achieved due to the fact that the device for recording gamma radiation, containing a pulsed cylindrical ionization chamber with a screening grid, filled as a working substance with ultrapure xenon at a pressure of 40-50 atm. with the addition of hydrogen in an amount of 0.2-0.3% of the total xenon content, a high-voltage power supply, a charge-sensitive amplifier, includes a digital electronics module based on a programmable logic integrated circuit for analyzing the amplitude and duration of the leading edge of electrical pulses, rejection of overlaps, calculations and subtracting the baseline.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На Фиг. 1 показана блок-схема устройства для регистрации гамма-излучения. Цифрами на Фиг. 1 обозначены:FIG. 1 shows a block diagram of a device for detecting gamma radiation. The numbers in FIG. 1 are marked:

1 - импульсная цилиндрическая ионизационная камера с экранирующей сеткой;1 - pulsed cylindrical ionization chamber with a screening grid;

2 - источник высоковольтного питания;2 - high-voltage power supply;

3 - зарядочувствительный усилитель;3 - charge-sensitive amplifier;

4 - модуль цифровой электроники.4 - digital electronics module.

На Фиг. 2 представлен график зависимости энергетического разрешения от энергии гамма-квантов для 1 - устройства с цифровой обработкой импульсов и для 2 - устройства с аналоговой обработкой импульсов.FIG. 2 shows a graph of the dependence of the energy resolution on the energy of gamma quanta for 1 - a device with digital pulse processing and for 2 - a device with analog pulse processing.

Энергетическое разрешение устройства при наличии цифровой обработки импульсов улучшается в 1,5 раза для энергии гамма-квантов 661,7 кэВ.The energy resolution of the device in the presence of digital pulse processing improves 1.5 times for the energy of gamma quanta of 661.7 keV.

На Фиг. 3 представлен график зависимости энергетического разрешения для энергии гамма-квантов 1332 кэВ от уровня акустической нагрузки для 1 -устройства с цифровой обработкой импульсов и для 2 - устройства с аналоговой обработкой импульсов.FIG. 3 shows a graph of the dependence of the energy resolution for the energy of 1332 keV gamma quanta on the level of acoustic load for 1 - a device with digital pulse processing and for 2 - a device with analog pulse processing.

Цифровая обработка электрических импульсов позволяет устройству работать при виброакустических воздействиях до 90 дБ без ухудшения энергетического разрешения.Digital processing of electrical impulses allows the device to operate at vibroacoustic influences up to 90 dB without degrading the energy resolution.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

Ниже приведен пример конкретной реализации полезной модели.Below is an example of a specific implementation of the utility model.

Как показано на Фиг. 1, устройство для регистрации гамма-излучения содержит импульсную цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой 1, наполненную сжатым ксеноном плотностью 0,3 г/см³ с добавкой 0,3% водорода для увеличения скорости дрейфа электронов. Электрическое поле внутри ионизационной камеры 1 создается подачей на нее высокого напряжения с источника высоковольтного питания 2. Сигнал с выхода ионизационной камеры 1 поступает на вход зарядочувствительного усилителя 3. Выход зарядочувствительного усилителя 3 соединен с входом модуля цифровой электроники 4.As shown in FIG. 1, the device for recording gamma radiation contains a pulsed cylindrical ionization chamber with a screening grid 1 filled with compressed xenon with a density of 0.3 g / cm ³ with the addition of 0.3% hydrogen to increase the electron drift velocity. The electric field inside the ionization chamber 1 is created by applying a high voltage to it from a high-voltage power source 2. The signal from the output of the ionization chamber 1 goes to the input of the charge-sensitive amplifier 3. The output of the charge-sensitive amplifier 3 is connected to the input of the digital electronics module 4.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Электроны, образовавшиеся в ионизационной камере 1 при взаимодействии гамма-квантов с рабочим веществом ксеноном, под действием электрического поля дрейфуют к аноду, на котором формируется электрический заряд, величина которого пропорциональна энергии зарегистрированного гамма-кванта. Индуцируемый на аноде заряд создает импульс тока, поступающий на зарядочувствительный усилитель 3. Усиленный сигнал с выхода зарядочувствительного усилителя 3 поступает на вход модуля цифровой электроники 4 на основе программируемой логической интегральной схемы, которая осуществляет обработку электрических импульсов в режиме реального времени.The electrons formed in the ionization chamber 1 during the interaction of gamma quanta with the working substance xenon, under the action of an electric field, drift to the anode, on which an electric charge is formed, the value of which is proportional to the energy of the registered gamma quantum. The charge induced at the anode creates a current pulse fed to the charge-sensitive amplifier 3. The amplified signal from the output of the charge-sensitive amplifier 3 is fed to the input of the digital electronics module 4 based on a programmable logic integrated circuit that processes electrical pulses in real time.

Для устранения микрофонного эффекта модуль цифровой электроники 4 выполняет следующую последовательность действий:To eliminate the microphone effect, digital electronics module 4 performs the following sequence of actions:

- оцифровка и запоминание импульса;- digitization and impulse storage;

- режекция наложенных импульсов;- rejection of superimposed impulses;

- вычисление и вычитание базовой линии;- calculation and subtraction of the baseline;

- анализ длительности фронта импульса;- analysis of the pulse front duration;

- интегрирование импульса и накопление полученной информации;- impulse integration and accumulation of the received information;

- вычисление мертвого времени устройства. В результате цифровой обработки электрических импульсов устраняется влияние микрофонного эффекта, энергетическое разрешение устройства улучшается в 1,5 раза для энергии гамма-квантов 661,7 кэВ. Как показано на Фиг. 2, энергетическое разрешение устройства с аналоговой обработкой импульсов составляет 2,5%, а устройства с цифровой обработкой импульсов - 1,7% для энергии гамма-квантов 661,7 кэВ.- calculating the dead time of the device. As a result of digital processing of electrical impulses, the influence of the microphone effect is eliminated, the energy resolution of the device is improved 1.5 times for the energy of gamma quanta of 661.7 keV. As shown in FIG. 2, the energy resolution of a device with analog pulse processing is 2.5%, and a device with digital pulse processing is 1.7% for a gamma-ray energy of 661.7 keV.

Фиг. 3 демонстрирует, что устройство для регистрации гамма-излучения с цифровой обработкой электрических импульсов может работать в условиях виброакустических воздействий до 90 дБ без ухудшения спектрометрических характеристик. Энергетическое разрешение устройства с аналоговой обработкой импульсов резко ухудшается уже при уровне акустической нагрузки 65 дБ для энергии гамма-квантов 1332 кэВ.FIG. 3 demonstrates that a device for recording gamma radiation with digital processing of electrical impulses can operate under vibroacoustic influences up to 90 dB without deteriorating spectrometric characteristics. The energy resolution of a device with analog pulse processing deteriorates sharply even at an acoustic load level of 65 dB for a gamma-ray energy of 1332 keV.

Таким образом, предложенная полезная модель позволяет улучшить энергетическое разрешение устройства в 1,5 раза для энергии гамма-квантов 662 кэВ, устранить влияние микрофонного эффекта и проводить измерения при виброакустических воздействиях до 90 дБ без ухудшения спектрометрических характеристик устройства.Thus, the proposed useful model makes it possible to improve the energy resolution of the device by 1.5 times for the energy of gamma quanta of 662 keV, eliminate the influence of the microphone effect, and carry out measurements at vibroacoustic influences up to 90 dB without deteriorating the spectrometric characteristics of the device.

Claims (1)

Устройство для регистрации гамма-излучения, включающее импульсную цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, заполненную в качестве рабочего вещества сверхчистым ксеноном при давлении 40-50 атм с добавлением водорода в количестве 0,2-0,3% от общего содержания ксенона, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный усилитель, отличающееся тем, что на выходе зарядочувствительного усилителя установлен модуль цифровой электроники на основе программируемой логической интегральной схемы для анализа амплитуды и длительности фронта электрических импульсов, режекции наложений, вычисления и вычитания базовой линии.A device for recording gamma radiation, including a pulsed cylindrical ionization chamber with a shielding grid, filled with ultrapure xenon as a working substance at a pressure of 40-50 atm with the addition of hydrogen in an amount of 0.2-0.3% of the total xenon content, a high-voltage power source , a charge-sensitive amplifier, characterized in that a digital electronics module based on a programmable logic integrated circuit is installed at the output of the charge-sensitive amplifier for analyzing the amplitude and duration of the leading edge of electrical pulses, rejecting overlaps, calculating and subtracting the baseline.

Images